人类过度排放到地球大气中的CO2已经被公认是造成近半世纪以来全球气候变暖的原因,地表平均气温随着大气中CO2浓度的逐年上升使人们意识到为了维护地球生态平衡必须要减少CO2排放量。最近,一种名为沸石咪唑骨架(ZIF)的新型金属有机骨架(MOF)材料引起了科学界的广泛关注。ZIF材料有着很高的化学、热稳定性,而且组成其结构单元的咪唑配体可以有很多方式改性调节,因此ZIF材料有望用于碳捕集和存储(CCS)技术以遏制全球变暖趋势。不幸的是,ZIF材料的拓扑结构较为复杂、内部孔道纵横交错,使得直接的实验手段较难以从微观尺度对ZIF进行研究,因此,尽管研究人员已经合成出了诸多ZIF,其对气体分子的吸附和分离机理目前还不甚明了。　　 计算化学方法为研究人员提供了一种弄清ZIF材料与CO2、H2等重要吸附质之间相互作用的有效手段。通过计算化学方法,科学家们不仅可以从微观尺度精确研究气体分子在ZIF结构特定区域或位点的吸附、扩散情况,还能在较大的温度、压强以及时间范围内对其性能进行预测,从而为合成或者后处理改性具有优良性能的新型ZIF材料提供理论指导。　　 在本文中,我们结合量子化学与分子模拟方法对CO2、N2、CH4在ZIF-78和ZIF-79中的吸附和分离进行了一系列研究,所选的两种ZIF拓扑结构相同但带有不同的取代基,可以为实验合成或者改性选取取代基时提供参考。　　 首先,因为标准力场参数往往高估了CO2、N2和CH4在别的ZIF中的吸附量,我们也对不同力场参数在ZIF-78和ZIF-79中得到的结果进行了比较。进一步确认了标准力场参数同样会在ZIF-78和ZIF-79中得到偏高的结果,对后人在进行类似研究时有一定的参考价值。　　 其次,我们先通过质心密度分布图分析了CO2、N2和CH4在两种ZIF中的吸附位点情况,然后重点对CO2的吸附进行了较高精度的量子化学计算,通过对比带有两种取代基的ZIF分别计算到的结果,我们发现ZIF-7g和ZIF-79中的取代基并非直接与CO2分子作用,而是通过改变咪唑配体整体的电负性来使得ZIF对CO2的吸附能力出现差异,这对于实验合成和后处理改性ZIF材料具有重要意义。　　 最后,我们还结合实际工业烟道气CO2的浓度会随着吸附过程不断变化这一现象,对在CO2组分含量不同时,两种ZIF对CO2/CH4和CO2/N2的吸附选择性进行计算。我们的结果表明ZIF对CO2在这两种混合气中的分离性能与CO2的浓度有较大的关系,从而为在未来如何最有效的使用ZIF材料进行CO2捕获及分离提供了前瞻性预测。